电动冲击钻设计说明书

目 录第一章 前言 .第二章 冲击钻的基本方案 .1.产品功能要求 .2.传动机构方案及比较 .3.电动冲击钻结构简图 .第三章 整体结构设计 .1.电机的选择 .2、齿轮的计算。 .第四章 主要零部件参数及结构设计 .41 主传动轴设计 .411 主轴的结构设计10 .412 主轴的校核 .42传动齿轮设计 .421 针式齿轮设计说明 .422 按齿面接触度强计算2 .423 按齿根弯曲强度设计2 .424 几何尺寸计算 .425 验算 .第五章 主要零部件的选材、热处理及工艺分析 .第六章 设计总结 .致 谢 .参考文献 .第一章 前言冲 击 钻 作 为 电 动 工 具 的 一 种 ， 我 们 有 必 要 介 绍 电 动 工 具 的 现 状 和 发 展 趋 势 。 电动 工 具 是 一 种 机 械 化 工 具 ， 它 结 构 轻 巧 、 携 带 使 用 方 便 。 无 论 在 我 们 的 日 常 生 活 中 ，还 是 在 生 产 中 都 是 个 不 可 或 缺 的 重 要 角 色 。 我 国 电 动 工 具 行 业 一 向 靠 外 贸 出 口 作 可靠 支 撑 。 近 十 年 来 ， 除 1996 年 比 1995 年 在 外 贸 出 口 数 量 和 金 额 略 有 下 降 外 ， 其 余年 份 均 呈 大 幅 度 上 升 态 势 。 2000 年 ， 全 行 业 的 外 贸 出 口 出 现 了 历 史 最 高 峰 -无 论 增 长幅 度 还 是 绝 对 值 ， 均 创 历史 新 高 ， 外 贸 出 口 数 量 高 达 8500 万 台 ， 外 贸 出 口 金 额 12.25 亿 美 元 ， 二 者 均 比 1999 年 增 长 50%以 上 。 虽 然 今 年 以 来 ， 我 国 电 动 工 具 行 业 的 外 贸 出 口 却 遭 遇 较 大 挫 折 ， 与去 年 同 期 相 比 ， 外 贸 出 口 数 量 和 金 额 仅 呈 微 略 增 势 ，“跑 ”出 了 近 五 年 来 最 慢 速 度 。 今年 我 国 电 动 工 具 外 贸 出 口 的 这 种 大 幅 回 落 将 较 大 地 影 响 全 年 的 行 业 生 产 经 营 效 果 ，给 完 成 全 年 生 产 经 营 目 标 带 来 了 更 加 艰 巨 的 任 务 。 但 是 我 国 加 入 W TO 后 许 多 重 大 工 程的 新 建 和 续 建 、 房 地 产 业 的 继 续 发 展 以 及 基 本 建 设 等 给 电 动 工 具 行 业 的 发 展 提 供 了有 利 条 件 ,西 部 大 开 发 也 带 动 了 电 动 工 具 市 场 的 进 一 步 扩 大 。从 电 动 工 具 市 场 反 馈 的 信 息 可 以 看 出 ， 2002 年 国 内 电 动 工 具 产 品 销 售 出 现 了 以 下一 些 新 的 特 点 。 首 先 ， 许 多 电 动 工 具 生 产 企 业 的 积 极 性 比 以 往 更 加 高 涨 ， 推 动 了 电动 工 具 产 品 质 量 水 平 不 断 提 高 ， 无 论 外 观 造 型 还 是 内 在 性 能 ， 都 有 明 显 改 善 。 另 一方 面 ， 各 生 产 厂 家 大 力 挖 掘 内 部 潜 力 ， 降 低 生 产 成 本 ， 来 增 强 自 身 的 竞 争 力 。 由 于竞 争 的 日 趋 激 烈 ， 我 国 许 多 以 内 销 为 主 的 电 动 工 具 企 业 更 加 注 意 产 品 的 更 新 和 新 产品 的 设 计 开 发 。 如 冲 击 钻 ， 体 积 小 、 重 量 轻 ， 外 型 更 加 美 观 。 认 知 自 己 的 不 足 ， 现在 生 产 企 业 都 走 设 计 更 新 的 路 。 沿 着 这 个 方 向 发 展 ， 我 国 的 电 动 工 具 行 业 的 前 景 将无 限 光 明 。第二章 冲击钻的基本方案1.产品功能要求电 动 冲 击 钻 是 一 种 常 用 的 电 动 五 金 工 具 ， 主 要 用 于 坚 硬 而 脆 性 较 大 的 材 料 如石 材 、 水 泥 墙 、 瓷 砖 等 的 钻 孔 工 作 中 除 钻 削 外 还 应 有 定 的 冲 击 力 才 能 顺 利 地 钻 出孔 来 。 实 现 电 动 冲 击 钻 功 能 的 传 动 机 构 方 案 很 多 ， 带 动 话 头 旋 转 的 方 式 主 要 由 电 动机 通 过 齿 轮 传 动 系 统 完 成 ， 而 实 现 钻 头 的 冲 击 运 动 有 多 和 方 式 。 下 面 仅 对 电 冲 击 机构 的 方 案 选 择 作 一 简 要 分 析 比 较 。2.传动机构方案及比较方 案 一 ： 曲 柄 滑 块 冲 击 机 构1 本 方 案 为 实 现 钻 孔 及 冲 击 功 能 ， 采 用 了 一 个 带 套 筒 的 齿 轮9,如 图 - 1 所 示 钻头 13 通 过 花 键 连 接 装 在 套 筒 齿 轮 9 前 端 的 花 键 槽 12 内 使 钻 头 13 与 齿 轮 9 连 成 一 体 。电 动 机 1 转 动 ， 通 过 齿 轮 6、 齿 轮 7、 齿 输 8， 带 动 齿 轮 9 转 动 ， 使 钻 头 13 旋 转 进 行 钻孔 。 同 时 由 曲 柄 轮 4、 连 杆 5 和 撞 头 滑 块 10 组 成 曲 柄 滑 块 冲 击 机 构 。 曲 柄 轮 4（ 带 蜗 轮 ）通 过 蜗 杆 机 构 3 经 由 齿 轮 6、 齿 轮 2 将 电 动 机 r 输 出 的 动 力 传 递 给 撞 头 滑 块 10。 撞头 滑 块 10 撞 击 撞 杆 11， 撞 杆 11 再 撞 击 钻 头 13 实 现 冲 击 运 动 。 钻 头 13 受 冲 击 时 可 在花 键 槽 12 内 移 动 。 该 方 案 结 构 较 为 复 杂 ， 对 安 装 精 度 要 求 较 商 ， 不 然 会 发 生 撞 头 滑 块 在 套 筒 内卡 死 的 现 象 。 同 时 连 杆 5 的 连 接 轴 销 在 冲 击 力 较 大 时 易 折 断 勺 。方 案 二 ： 偏 心 凸 轮 冲 击 机 构该 方 案 采 用 偏 心 凸 轮 5 作 为 冲 击 发 生 件 ， 撞 头 8 作 为 凸 轮 机 构 从 动 杆 ； 如 图 -2 所 示 。 与 方 案 一 相 同 ， 也 是 通 过 蜗 轮 4： 蜗 杆 3 将 电 动 机 1 的 动 力 传 递 给 予 蜗 轮 4 同 轴的 偏 心 ， 凸 轮 5 0电 动 机 转 动 ， ， 凸 轮 机 构 工 作 ， 撞 买 8 来 回 移 动 ， 撞 击 撞 杆 12 0 撞头 8 与 偏 心 凸 轮 5 接 触 T 的 顶 部 做 成 半 球 状 ， 以 减 少 工 作 时 韵 摩 擦 6 弹 簧 9 的 作 用 是 使撞 头 8 在 工 作 中 与 偏 心 凸 轮 5 保 持 可 靠 的 接 触 。 该 方 案 对 安 装 精 度 要 求 不 高 ， 工 作 毡比 较 安 全 可 靠 ， 但 存 在 凸 轮 遑 扔 冲 击 ， 哏 口 非 有 效 冲 击 较 大 。 偏 心 凸 轮 轴 销 易 掼 等缺 点 。 方 案 三 ： 圆 盘 凸 轮 冲 击 机 构由 圆 盘 凸 轮 16、 从 动 杆 8（ 撞 头 ） 组 成 圆 盘 凸 轮 冲 击 机 构 ， 这 是 一 种 变 形 的圆 盘 凸 轮 机 构 ,如 图 -3 所 示 。将 圆 盘 凸 轮 6 做 成 斜 面 圆 柱 状 ， 从 动 杆 8 不 直 接 与 圆 盘 凸 轮 6 接 触 .而 是 通 。 过 拨盘 5 拨 动 从 动 杆 8（ 撞 头 ） 作 往 复 直 线 运 动 。 电 动 机 1 通 过 一 对 啮 合 的 齿 轮 。 2、 3 直 接将 动 力 传 递 给 予 从 动 齿 轮 3 同 轴 的 圆 盘 凸 轮 6 和 套 筒 齿 轮 9 的 驱 动 齿 ， 齿 轮 7， 完 成 整个 运 劫 及 动 力 传 递 。 弹 簧 4 的 作 用 是 工 作 中 使 拨 盘 5 紧 贴 圆 盘 轮 6 表 面 。 该 方 案 结 构 简单 ， 减 弱 凸 轮 机 构 易 产 生 的 硬 性 冲 击 ， 工 作 安 全 可 靠 。方 案 三 与 前 两 个 方 案 相 比 ， 省 去 了 用 于 改 变 运 动 方 向 f 螺 杆 机 构 ， 简 化 了 传 动 路线 ， 结 构 紧 凑 且 工 作 硬 性 冲 击 小 ， 工 作 可 靠 。 通 过 以 上 分 析 ， 选 用 方 案 三 进 行 电 动冲 击 钻 结 构 设 计 。3.电动冲击钻结构简图根 据 所 选 方 案 画 出 冲 击 钻 结 构 简 图 ， 如 图 皿-4 所 示 ： 结 构 简 图 清 楚 地 反 映 了 电 动冲 击 钻 工 作 原 理 、 各 零 件 结 构 关 系 和 装 配 关 系 及 电 钻 造 型 韵 基 本 轮 廓 ， 依 此 可 进 行零 部 件 结 构 设 计 和 霹 观 遣 型 设 计 。第 3 章 整体结构设计图 3-1：总图图 3-2 转子 图：3-3 定子1.电机的选择电机的选择是本设计的重点，其基本参数通过计算得出。根据我们最后要求输出的转速。N1=350 转/分钟和齿轮减速比：i=8/53得：电机要求的最小转速：N=350X53/8=2318.75 转/分钟即是其负载转速要大于 2318.75 转/分钟。最后设计出的负载转速：2500 转/分钟，能满足我们的要求。而且我们要求的输入功率 250W参考的输入功率： 300W 大于要求的输入功率。即所选的电机能满足要求。2、齿轮的计算。用 PROE 创建出齿轮的零件模型时，需计算出下列参数:* 基圆半径 Rp*滚动角3渐开线方程选择大齿轮的模数 Mn=0.5，齿数 Zz=53,1、 节圆半径 Rp=0.5x5x30.5=13.252、 基圆半径 Rb=13.25cos20=12.453、 周节 Pc=3.14x0.5=1.574、 在节圆上的齿厚 Tp=Pc/2=0.7855、 齿冠圆半径 Rd=Rp+a=13.25+0.5=13.756、 齿根圆半径 Ra=Rp-b=13.25-0.5785=12.677、 在基圆上的齿厚 Tb=2XRbTp/(2Rp)+inv(X=6.01将此齿厚换算为角度=（6.01/12.45）X360X/2=27.6X8、 滚动角可通过求解下式而得：-tan1=9、 渐开线方程式：r=Rb(1+2)1/2。第四章 主要零部件参数及结构设计41 主传动轴设计轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。由于主轴在满足强度、刚度的情况下，要有一定的防腐蚀能力，这就要求合理的选择材料。轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数是用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。合金钢比碳钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。初步选择主轴的材料为 40Cr。411 主轴的结构设计 10轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。其主要考虑的问题如下：1） 、定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。由于钻具的外形特点为圆筒形，这样就存在三种装配方案：一种是零件在主轴从上到下进行装配；一种是零件在主轴上从下到上进行装配；还有一种是零件从主轴两端进行装配。分析可知，前两种装配方案对加工精度和装配工艺要求很高，且存在主轴在一个方向上存在过多阶梯的情况，影响轴的强度。最后一种装配方案能从主轴的两端分别进行装配，轴的径向尺寸变化不大，这对轴的结构将大大简化，提高了轴的强度。根据以上分析，选择零件从主轴上两端进行装配的方案。同时综合考虑现行的加工水平，为了减少加工的成本，主轴采用分段加工制造。初步拟订整个钻具的主轴分三段，各段装配完后用法兰盘连接。2)、轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。1.零件的轴向定位轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖来保证的。对钻具来说，其工作时受到的轴向力很大，且变化较大。这样安装其上的齿轮将用轴肩来进行定位。由于整个结构采用对称的形式，不能很好地解决装配问题，故轴肩通过焊接的方法加工出来。由资料得，定位轴肩的高度 h=(0.070.1)d，其中 d 为与零件相配处轴径尺寸。对下端太阳轮的轴肩高度 h=(0.070.1)150=10.5 15mm，取 12mm。上端中心传动齿轮处 h=(0.070.1)150=10.5 15mm,取 12mm。2.零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。齿轮与轴的周向定位均采用矩形花键连接。为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 H7/n6；推力轴承与轴的定位是借过渡配合来保证的，其值径尺寸公差为 m6。412 主轴的校核进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采用相应的计算方法，并恰当的选其许用应力。分析主轴的载荷分布情况可知，主传动轴主要是受钻具电机的旋转扭矩，故采用扭矩强度校核表 2 主轴的校核 10计 算 数 据 计 算 结 果主轴承受的最大扭矩 根据初定的参数选最大量 4.6KN.m主轴结构参数 根据结构初定外径为 240mm，内径为 180mm；抗扭截面系数3344(1)()165tdrWr= =1598400 348023m轴的扭剪应力 = =2.877MPatTW64.10598前已选定轴的材料为 40Cr 调质钢，查得 =70Mpa，因此 ，1ca1故初定的结构参数在安全范围内。42传动齿轮设计421 针式齿轮设计说明1）齿轮机构的类型很多，但直齿圆柱齿轮传动乃是最简单、最基本，但是对于本设计而言，其维修不方便，故在本设计中采用针式齿轮传动。但为了计算方便，其计算设计过程采用等效方法，用圆柱齿轮的设计计算方法计算、校核针式齿轮的强度。2）该机构为一般工作机器，速度不高，但其工作环境恶劣，参考相关资料选用 9 级精度。3）与常规齿轮一样，针式齿轮的工作部分的齿轮材料采用 20CrMnTi，为了减少制造成本，其他的固定部分采用铸钢。4）初选中心太阳轮齿数 Z =30，而一般 i=13，参考桩工机械查齿轮传动1比经验值，取 i=1.56 行星齿轮齿数 Z =ixZ =30X1.56=47.两啮合齿轮齿数互质。21422 按齿面接触度强计算 2由设计计算公式进行试算,即:d t12312.tEdHkTZu(1) 确定公式内的各计算数值表 3 传动齿轮计算1设计计算项目 设计依据 设计结果载荷系数 Kt 查设计资料 K =（1.21.4）t 取 K =1.3t扭矩 T 根据实际工况要求 取 T=2.3KN.m齿宽系数 d = =0.5(1+u)d1ba取 =0.5a0.4材料影响系数 Z E查机械设计手册 189.8MP 21a接触疲劳强度 查机械设计手册 =1300MPalimH =560 Mpa计算应力循环次数 N=60n JL1hN =2.61018N =1.3102接触疲劳寿命系数 查机械设计手册 K =0.96,K =0.971H2NH接触疲劳许用应力 = ，取失效概H1limNKs率为 1%,安全系数 S=1 =1248MPa =543.2MPaH2（2）计算表 4 传动齿轮计算2设计计算项目 设 计 依 据 计算结果小齿轮分度圆直径 d t1d t1 2312.tEdHkTZu 取最小值Hd =265mmt1计算圆周速度160tn 0.45ms计算齿宽 b b= d t1 b=106mm计算齿宽与齿高比 b/hm = d / Z =106/30=3.53mmtt=7.94mm*2athCb/h=13.35计算载荷系数K= k k K AvH使用系数 k k =1.5AK=2.69动载系数 k k =1.06v载荷分布系数 K , K = =1.4aHFaHF231.508(.6)0.1Hdb =1.21.24F修正后分度圆直径 1d31ttKd =337mm1d模数 m 1Zm=11.23mm423 按齿根弯曲强度设计 2由式(10-5)得弯曲强度的设计公式为：132FaSdYKTmz（1）确定公式内的各计算数值表 5 传动齿轮计算3设计计算项目 设计计算依据 设计计算结果齿轮的弯曲疲劳极限 1FE查机械设计手册 1620FEMPa38疲劳强度系数 1FNK查机械设计手册 1.FNK20疲劳许用应力1F1FNES1.86380.64FMPaa2.2.载荷计算 K AVFK1.506.1.76齿形系数 1FaY查机械设计手册 FaY2.39应力校正系数 1sa查机械设计手册 ，16sa21.6sa计算齿轮的 FaSY12.5610.7838FaSY2.9.aSF行星轮的数值大（2）设计计算 6327.10.76.1m对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿轮的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 6.17. 并就近圆整为标准值 m=8mm,按接触强度算得分度圆直径 mm,算出中心太阳轮137d的齿数 : 。取 ，则行星轮齿数 ：13742.58Z142Z。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，2.56i又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑。424 几何尺寸计算根据保证满足同心条件，可以计算内齿圈的齿数： 312465172Z根据设计计算可得中心太阳轮、行星轮、内齿圈的几何尺寸，如下表：表 6 传动齿轮几何尺寸(单位:mm)结果名称 符号 计算公式太阳轮 行星轮 内齿圈模数 m根据齿轮强度定出的标准值 8压力角 a 2020分度圆直径 d dz334 520 1374齿顶高 ah*ahm8 8 8齿根高 fh*fahcm10 10 10齿高 h f18 18 18顶隙 c *2 2 2齿顶圆直径 1oad2aadh350 536 1358齿根圆直径 fff314 500 1394基圆直径 bcosb318 495 1307齿距 ppm25 25 25齿厚 s2s12.5 12.5 12.5齿槽宽 aa12.5 12.5 12.5齿宽 b而一134d般小齿轮1(50)b:144 134 128425 验算 612.31724tTFNd，合适。.579.04AtKmb其他齿轮几何参数设计在这个传动系统中，齿轮圈内圆周的下段为光滑的圆柱面，与托盘外圆周动配合，托盘为一侧面光滑的圆盘，其上有 3 个与行星齿轮相对应的 3 个行星孔，行星孔内为齿轮圈，每一个行星轮外侧周边的下部用轴承均匀固定着 3 个或若干个钻杆，钻杆的下端安装有钻头刃具，钻杆的中部用键固定有被动转动齿轮，此转动齿轮与托盘上的行星孔的内齿相啮合，齿轮圈上部和下部都有内沿，上部内沿的表面和行星齿轮上沿的下表面接触，下部内沿的表面和行星齿轮下沿的上表面接触。托盘内行星孔为齿轮圈,它的分度圆直径应小于 520.设计时,我们取d=340mm,孔底钻齿轮与托盘上的行星孔的内齿相啮合,假设它两者的传动比是 3.7, 故托盘齿轮的几何尺寸和孔底钻齿轮的几何尺寸为:表 6 其他传动齿轮几何尺寸 (单位:mm)结 果名 称 符 号 计算公式托 盘 孔壁钻齿轮 孔底钻齿轮分度圆直径 d mz340 92 104齿顶高 ah*ah8齿根高 ffc10齿 高 h af18齿顶圆直径 ad2dh324 108 120齿根圆直径 fff360 72 84第五章 主要零部件的选材、热处理及工艺分析为了实现钻具预定的性能，确保钻具的实用性，很好地解决传动齿轮的润滑与摩擦问题，对整个钻具实用性具有举足轻重的作用。齿轮传动常见的失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤。为了防止齿轮折断，常采用以下方法：选用合适的材料和热处理方法，使齿根芯部有足够的韧性；采用正变位齿轮，增大齿根园角半径，对齿根进行喷丸、辊压等强化处理。为了防止齿面损伤，常提高齿面硬度，增大齿轮模数，改善润滑条件。回旋冲击钻采用针式齿轮传动解决了一些齿轮润滑、摩擦和制造成本等问题。由于钻具的工作环境恶劣，其主要失效形式是齿面磨损。为此，齿轮传动的工作部分零件（如齿销）采用中淬透性渗碳钢（如 20GrMnTi） ，热处理要求为：渗碳深度为 1.21.6mm，表面碳浓度 =1.0%，表面硬度为 5860HRC。cw第六章 设计总结本次设计的目的是为了系统地把大学中所学的专业知识连贯起来应用于实际当中，来解决生产实际问题，从而锻炼我们的分析问题和解决问题的能力，从而设计出满足要求的机械产品。本次设计完成了大直径桩基础工程成孔钻具回旋冲击钻的总体设计。在设计过程中为了使整个钻具实现预定的功能，其主要内容包括钻具整体结构设计、齿轮传动部分设计、主轴的设计以及泥浆循环系统的设计四个部分。在这次设计中最大的感受是：理论与实践必须相结合，只有将正确的理论应用于实践中，才能真正发挥理论的价值，才能更深刻地了解和掌握理论的真正内涵；要作到理论与实践相结合必须有一定的理论基础和丰富的实践经验，但在这实践经验方面，我很欠缺，导致在设计内容中出现了一些错误。这些缺点还在待于在日后的进一步学习和工作中来弥补和提高，此外，设计工作是一项繁重的工作，必须具有严谨细致的工作作风和顽强的决心和毅力。致 谢在本次设计中，首先衷心感谢我的指导老师的悉心指导和耐心帮助，他严谨的工作作风和渊博知识给了对我这个课题给了我很大的帮助。接下来我要感谢我这个课题小组的成员对我的工作的帮助和支持，同时也感谢为我的课题提出宝贵意见的同学及朋友，他们帮我解决了许多的难题，并为我的设计提出了许多的宝贵意见。最后，在此想所有的论文评审老师和答辩委员会的全体老师表示由衷地感谢。参考文献1孙恒，陈作模. 机械原理 M.北京：高等教育出版社，20012濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，20013王伯惠，上官兴著.中国钻孔灌注桩新发展M.北